TWI413455B - 用於將電能供入一交流電電爐的電子電路與方法 - Google Patents

Description

用於將電能供入一交流電電爐的電子電路與方法

本發明係關於一種用於供應能量於交流電電爐之至少一個電極的電子電路與方法，尤其是用於熔化金屬。

本發明係可運用於針對於非鐵材料、鐵合金、處理爐渣與鋼的生產以及針對於爐渣清理之電爐。該電爐係可設計為電氣還原爐、電氣矮鼓風爐或作為電弧爐。

用於饋電一交流電電爐之電子電路係揭示於德國公開專利說明書DE 2 034 874號，其中揭示的電子電路係插入於一電氣網路與電爐的至少一個電極之間。該種電子電路係包含一串聯連接，其為用於電爐的一通/斷(on/off)開關、自電氣網路供應用於電爐的一饋入電壓之一變壓器、與用於調節通過電極的電流之一電子式交流電功率控制器所組成。

一種電子式交流電功率控制器係典型為由二個逆平行的切換式閘流體所組成，且以相位移控制之形式來調節電流。在此，提供電源組給功率控制器之閘流體係典型被設計針用於電爐之整個操作範圍，即：一極大範圍之電流。因為是高的閘流體截止電壓，因此需要極為昂貴的閘流體系列，尤其是就其操作於高饋入電壓之高功率電爐而論。然而，具有高截止電壓之閘流體係通常為無法切換高電流；針對於高電流之切換，諸如：可能常發生於電爐之某些操作條件，尤其是電阻之情形，諸多個別閘流體或整體電子式交流電功率控制器係因此必須為並聯連接。唯有如此，針對於至少個別操作條件所需要的高電極電流係可進行。欲保證電爐於所有操作條件之可靠操作，甚至是於高電極電流，因此需要傳統之昂貴的轉換器電路。

根據本項技術之狀態，本發明之根本目的係藉著簡單設計且於低成本以研發一種用於將電能供入一交流電電爐之電子電路及方法，其於所有操作模式的範圍內，甚至是在高電極電流時，毫無問題地操作電爐。

此目的係由申請專利範圍第1項之標的所達成。根據此申請專利範圍，根據本發明之一種用於饋電交流電電爐之電子電路係特徵在於：一電流測量裝置，用於測量流通過電極之電流量；一橋接隔離開關，其並聯連接至交流電功率控制器；及一控制裝置，根據流通過電極之電流量以打開或閉合該橋接隔離開關。

上述的特徵化特點係極簡單且因此為不昂貴而達成。於其主張的架構中，若存在過負載之現象，即：於需要極高電極電流之電爐的操作條件期間，則有利使交流電功率控制器成為橋接。此等操作條件(例如：具有浸入式電極而不具有電弧部分之電阻操作)係不需要藉由交流電功率控制器之特定調節；則其操作為不必要且會成為橋接方式，如所主張。於電爐之其他操作模式中，例如：於具有電弧部分之電阻操作期間，根據本發明，橋接隔離開關係為打開狀態，其結果為：接著藉由交流電功率控制器而導通電極電流且可藉其而調節電極電流。典型而言，於具有電弧之操作期間而流通過電極之電流量係小於不具有電弧之電阻操作期間者。

由於交流電功率控制器之電流限制(藉由根據本發明之橋接隔離開關所達成)，控制器係可有利地尺寸較小許多且製造較簡單便宜許多而沒有電爐操作上之限制。

將額外之隔離開關直接設置在交流電功率控制器之前方與後方而仍在橋接隔離開關連接之間，這種方式之優點在於：當橋接隔離開關閉合時，即，當交流電功率控制器橋接時，則其係自電子電路移除(例如：用於維修時)，而無須中斷電極電流且因此無須中斷之電爐操作。

因為根據本發明之橋接隔離開關設置，該電子電路係極簡單且不昂貴地可適應於電爐之不同操作條件，諸如：冶金所需要之操作條件。

上述目的亦係由所主張的一種用於將電能供入一交流電電爐或其電極之方法而達成。此種方法之優點係對應上述關連於所主張的電子電路之優點。

該電子電路與方法之有利的實施例係構成申請專利範圍附屬項之目的。

本發明係參照圖式以範例實施例之形式而詳細描述於後。

典型而言，具有三或六個電極之電爐係用以熔化鋼。於具有六個電極之電爐中，電極11係成對而插入至電爐容器12以引入電能。於具有三個電極11之電爐中，電極係正常以一種背負式連接而連接，藉以降低強電流電纜之電抗。然而，作為背負式連接之一個替代者，該等電極之一種星形連接亦為可能。

第1圖係顯示根據本發明之電子電路，其用於將電能供入一電爐。第1圖亦顯示單相的代表圖；對應的電路係可用於更多相。

電爐係正常由一中電壓網路1而供電。於中電壓網路1與電極11之間，該電子電路係包含一電爐變壓器6，其一次側係面對中電壓網路1(下文亦稱為電氣網路)且其二次側係面對電極11。於電氣網路1與電爐變壓器6的一次側之間，該電子電路係包含一第一串聯連接，其依次包含一電壓測量裝置2、用於切換電爐為通電(on)或斷電(off)之一電爐電源開關3、一電流測量裝置4、用於電爐變壓器的一次側至一星形(star)或三角(delta)連接之選用式切換的一選用式星形/三角開關5、與一過電壓保護13。舉例而言，星形/三角開關係致使電爐變壓器6的設定電壓範圍為能夠藉由一因數1.73而朝上或朝下改變。

於電爐變壓器6的二次側與電極11之間，該電子電路係本質為具有一第二串聯連接，其為由一第一隔離開關10a、一電子式交流電功率控制器8、與一第二隔離開關10b所組成。當強電流隔離開關9閉合時(例如：用於維修工作)，隔離開關10a與10b用於電氣隔離或移除交流電功率控制器8，而無須中斷電爐操作，尤指具有浸入式電極而不具有用於此的電弧部分之電阻操作。交流電功率控制器8係致使電極電流能夠以相位移控制形式而受調節。

根據本發明，該電子電路係已經增補一橋接隔離開關9，其並聯連接至交流電功率控制器8、且亦選擇性地並聯連接至第一與第二隔離開關10a與10b，該橋接隔離開關係由一控制裝置14所致動。此裝置係根據由電流測量裝置4所測量流過電極11之電流量而控制該橋接隔離開關9。控制裝置14之設計形式可為一記憶體程式控制系統、一程序控制系統或另一種電腦輔助系統。

根據該電子電路之構成，電爐操作模式係與根據本發明之電子電路相互作用，其更詳細描述於後文。

第2圖係顯示針對於具有六個電極的一種電氣還原爐之典型電壓－電流－功率曲線圖(U－I－P曲線圖)。於此曲線圖中，有效功率線100係顯示繪製於Y軸的二次側電流與繪製於X軸的二次側電壓之一函數。特徵系統200係特徵化該電爐電阻。於此例之電爐的短路阻抗係由特徵300所表示。曲線表之此等特徵係僅應用至一固定閘流體延遲角度。於較大或較小延遲角度，特徵係位移在X軸之上方。

特徵4a與4b係顯示通過電極之最大允許電流，作為二次側電壓之一函數，其關於變壓器繞組4a之一次側星形連接及關於變壓器繞組4b之一次側三角連接。特徵500係說明交流電轉換器8之最大設計電流，其稱為電流臨限值。

典型而言，於電爐中，以下的冶金操作條件係可能根據製程、進料與產物而本質上有區別。

(a)具有浸入式電極而不具有電弧部分之電阻操作；(b)具有僅為低電弧部分之電阻操作；及(c)具有高電弧部分之操作。

此等三個操作條件係更為詳細解說於後文。

(a)具有浸入式電極而不具有電弧部分之電阻操作 用於處理所需要的能量係藉由爐渣之電阻加熱所產生。電極11係明確浸入於爐渣，浸入之深度係尤其取決於電極直徑。然而，其通常為高於約200毫米。於此操作模式中，電流係傳導經過爐渣，藉以轉換電能為焦耳(Joule’s)熱量，歸因於爐渣之電阻，熱量係驅向一冶金吸熱反應，例如：還原與熔化。具有浸入式電極而不具有電弧部分之電阻操作特徵在於：高的電極電流與相當低的二次側電壓，其為遠低於1000伏特。

於此操作模式中，因為是浸入式電極，因此對於調節工作並無特定的要求。因此，電爐係亦可以習用方式操作，即：無需電流調節。因此建議的是：於該操作期間，橋接隔離開關9為閉合，且交流電功率控制器8為橋接。此舉係將保護交流電功率控制器8之功率半導體(典型為閘流體)免於過量的電流。

(b)具有僅為低電弧部分之電阻操作 用於此電爐操作所需要之大多數的能量係藉由爐渣之電阻加熱所產生。在此，電流係傳導通過爐渣，結果為：電能係由爐渣之電阻而轉換為焦耳熱量。焦耳熱量係驅向一冶金吸熱反應，例如：還原與熔化。產生於電極較低區域或在其下方的一電弧係可產生一額外之較小的能量作用。達到這種結果之情況僅為：電極為最小化浸入或電極為直接定位在爐渣槽之上方。相當高的電流強度與相對低的電壓通常係為此操作模式所需，參閱第4圖之區域(b)。然而，於此操作模式中之電壓係遠高於浸入式電極之情形。明確而言，用於具有功率約30－50百萬瓦特之電爐，二次側電壓係典型為於約1000伏特之範圍內。

(c)具有高電弧部分之操作 於此操作模式中，一較高部分的能量係由電弧所提供。電弧係直接傳送輻射熱至電爐之爐料與爐渣層。在此，於具有開放電弧的操作與具有覆蓋電弧的操作之間存在一基本的差異。

於具有開放電弧的操作中，電弧係擊中爐料M與爐渣S而無需側向熱輻射，參閱第3圖，N係代表未覆蓋電弧區域。第3圖亦顯示經過過電極11、電弧L、爐渣S與熔化金屬15之電氣路徑的電氣等效接線圖。以理想化來考量，電極11與熔化金屬15之歐姆電阻係可假設為零。由於電弧L，如此則產生電極電流的歐姆電阻R_L 、以及由於爐渣S而產生歐姆電阻R_S 。

於具有覆蓋電弧的操作中，電極11之邊緣區域係部分為由爐料M所覆蓋，參閱第3圖之電極的右邊緣。除了電弧能量之外，概略為相同或較小部分之作用能量係藉由電阻加熱而傳送至電極。針對上述的操作模式，因為有高的電弧部分，一般而言需要高電壓之低電流；參閱第4圖之區域(c)。

在此，於電爐中之電壓係正常為高於1000伏特(V)，且功率為超過30－50百萬瓦特(MW)。由於電弧之非線性且隨機的行為(其傾向於不穩定性)，係嚴格要求電極電流調節。於操作模式(c)中，所需要之整體的電極電流係透過交流電功率控制器8而導通及調節。於此例中，強電流隔離開關9係被打開。

於操作模式(b)與(c)之間的變換係平滑的。原則上，橋接隔離開關9係未打開，且第一與第二隔離開關10a、10b係未閉合，直到功率係隨著變壓器6之二次側電壓增大而增大，電弧L之部分係於能量輸入處增大(參閱第3圖)且電極電流之電流值係下降為低於電流臨限值300為止。交流電功率控制器係接著切換為導通(on)且用以使得能量作用最佳化。反之，當由於電弧而使能量作用降低、二次側電壓降低與電極電流增大時，即：原則上，當電流臨限值被電極電流超過時，交流電功率控制器8係必須於適當時間再次從該電子電路取出。原則上，用於打開該橋接隔離開關9之電流臨限值300係相同於用於閉合該橋接隔離開關之電流臨限值。然而，係可思及用於二個製程之不同的電流臨限值，例如：組合於一個磁滯(hysteresis)中。

類似於第2圖，第4圖係顯示根據本發明之電子電路之設定尺寸的一個實例，用於供應能量至具有6個電極之一電爐，用於129 MVA之FeNi處理。如同於第2圖，同理，特徵300係描述通過交流電功率控制器8之最大電流及用於切換橋接隔離開關9之電流臨限值的特徵。交流電功率控制器8係在電極電流為高於此臨限值時而閉合，藉此，交流電功率控制器係因此沒有電氣負載。此舉之優點係在於：概括而言，交流電功率控制器8係可有更小之尺寸，且特別是以功率半導體而言，因此提供一種簡單、不昂貴的解決方式。

雖然電爐(特別是：電氣還原爐)係設計用於操作模式(b)與(c)，然而，其可藉著閉合的橋接隔離開關9(即：藉著橋接的交流電功率控制器8)而操作於起始模式與部分負載模式。

1．．．電氣網路

2．．．電壓測量裝置

3．．．電源開關

4．．．電流測量裝置

5．．．星形/三角開關

6．．．變壓器

8．．．交流電功率控制器

9．．．橋接隔離開關

10a、10b．．．隔離開關

11．．．電極

12．．．容器

13．．．過電壓保護

14．．．控制裝置

15．．．熔化金屬

M．．．爐料

N．．．未覆蓋電弧區域

L．．．電弧

R_L ．．．電弧L之歐姆電阻

R_S ．．．爐渣S之歐姆電阻

S．．．爐渣

第1圖係顯示根據本發明之電子電路；第2圖係顯示用於一種電氣還原爐之典型電壓－電流－功率曲線圖(U－I－P曲線圖)；第3圖係顯示一電爐中的電極與進料之橫截面、以及該截面的電極電流之關聯電氣等效接線圖；第4圖係顯示於第2圖之曲線圖之另外繪製之電爐的不同操作範圍與繪製的電流臨限值。

1．．．電氣網路

2．．．電壓測量裝置

3．．．電源開關

4．．．電流測量裝置

5．．．星形/三角開關

6．．．變壓器

8．．．交流電功率控制器

9．．．橋接隔離開關

10a、10b．．．隔離開關

11．．．電極

12．．．容器

13．．．過電壓保護

14．．．控制裝置

Claims (8)

1. 一種用於將電能供入一交流電電爐之至少一個電極(11)的電子電路，尤其是用於熔化金屬，該電子電路以串聯連接包含：一變壓器(6)，自一電氣網路(1)供應用於該電爐之一饋入電壓；及一電子式交流電功率控制器(8)，連接於變壓器(6)與電極(11)之間，以調節通過電極(11)之電流；其特徵在於：一電流測量裝置(4)，用於測量流過電極(11)之電流量；一橋接隔離開關(9)，其並聯連接至交流電功率控制器(8)；及一控制裝置(14)，用於根據流過電極(11)之電流量以打開或閉合橋接隔離開關(9)。
2. 如申請專利範圍第1項之電子電路，其中，一第一隔離開關(10a)係連接於該變壓器(6)與交流電功率控制器(8)之間，且一第二隔離開關(10b)係連接於該交流電功率控制器(8)與電極(11)之間。
3. 如申請專利範圍第2項之電子電路，其中，該橋接隔離開關(9)係被連接，使得其橋接第一隔離開關(10a)、交流電功率控制器(8)與第二隔離開關(10b)之串聯連接。
4. 一種用於將電能供入一交流電電爐之至少一個電極(11)的方法，尤其是用於熔化金屬，該方法包含以下步驟：自一電氣網路(1)供應用於該電爐之一饋入電壓；及 藉由一電子式交流電功率控制器(8)以調節通過電極(11)之電流；其特徵在於：測量通過該電極之電流量；及根據測量之電流量，藉由一短路連接以橋接該交流電功率控制器。
5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中，當通過電極(11)之電流量為超過一預定的電流臨限值時，交流電功率控制器(8)係被橋接。
6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中，當該電流量為超過預定的電流臨限值時，該電爐係操作於一起始模式或不具有電弧部分之一電阻模式。
7. 如申請專利範圍第5項之方法，其中，當該電流量為低於預定的電流臨限值時，該電爐係操作於具有電弧部分之一電阻模式。
8. 如申請專利範圍第4至7項任一項之方法，其中，例如針對維修目的，交流電功率控制器(8)係當橋接時為可移除自該電極之電子電路，而於該電爐操作期間供電給該電極。